由Michel Levis應用工程師

自7年前首次發布以來，我們的QUBE-Servo 2（便攜式旋轉伺服）發布以來，被全世界各大高校廣泛應用。它的標準模塊以及符合ABET標準的配套課程設計，讓老師們輕松并順利完成控制專業課程的標準實驗。同時，由于QUBE的靈活性和開放結構，很多高校也在用它完成PBL（基于項目的學習）的實驗教學，用于鼓勵學生創新，培養學生復雜系統思考的能力。

我們的應用工程師Michel Levis在下面這篇文章中，與我們分享了如何基于QUBE設計一門融入機械設計、視覺、控制、通信等學科內容的PBL實驗教學，整個實驗設計完成后，教師可以根據教學內容的深淺，進行具體實驗內容的設計，從而讓這門實驗課程覆蓋到大學四年不同階段的要求，乃至研究生教學。

附有慣性盤和倒立擺模塊的QUBE-Servo 2

項目概述

為了驗證以上觀點，我決定為QUBE-Servo 2開發一個經典的球桿項目。從控制的角度來看，使用電機控制球在桿上保持平衡會帶來一系列前所未有的挑戰。該項目允許學生設計自己的桿，并使用攝像頭實現基于視覺的球桿控制（原理圖和實際模型如下所示）。我設計的系統由直接安裝在直流電機輪轂上3D打印的L形桿和標準的乒乓球組成，但設計過程中，學生和老師可以使用不同類型的桿和球。

球桿系統的原理圖及實際模型

本項目所涉及的各個任務高層視圖如下所示。它包括桿組件的機械設計，實現球桿平衡的控制方案，以及圖像處理。

項目總覽

球桿控制回路如下圖所示。球的位置使用攝像頭、圖像采集和處理軟件工具（例如：QUARC中的Video Capture模塊）進行測量。外環：球的位置控制器，根據測量出的球的位置，計算出將球穩定在期望位置所需的伺服角度；內環：伺服位置控制器，根據編碼器測量的當前電流角度，施加跟蹤球位置所需的伺服角度電壓。

球桿控制回路

現代機電一體化系統設計方法

機電一體化系統是一種集成傳感器、執行器、計算能力和通信協議的智能系統。例如，無人機是機電一體化系統。它具有一個帶IMU傳感器的板載處理器和執行器。

現代機電一體化系統組件

基于上述定義，我們認為球桿系統也是一個機電一體化系統，因為它包含以下組件：

●傳感器：QUBE-Servo 2 編碼器和球的位置傳感器（例如:攝像頭）

●執行器：QUBE-Servo 2 直流電機

●計算：在 電腦、筆記本電腦、數據處理器上運行控制器

●通信：QUBE-Servo 2 USB數據采集（DAQ）設備

完成項目所需的軟件資源可分為三組：控制平臺、工具箱和基礎模塊。

軟件定義

為了適用于不同知識水平的學生（本科生和研究生），老師可以選擇提供什么，下面是一個示例細分：

       例如，如果使用 MATLAB/Simulink和QUARC 實現此項目，則根據預期級別，學生可以執行以下操作：

●級別1：提供完整的Simulink 模型（即控制器）。學生將測試模型并調優值。無需進行重大設計修改。

●級別2：老師提供包括軟件子系統的Simulink 庫（即工具箱）。學生使用庫中預定義的 Simulink 子系統模塊來設計任務。

●級別3：老師可能會為某些任務提供一些組件，但在大多數情況下，學生需要自己會使用基礎模塊。學生需要根據“Fundamentals”和QUARC Targets庫中的Simulink模塊設計控制器。

為了幫助老師實施此項目，我們整合了以下資源：

●教師指南：Excel 電子表格，詳細說明了三個不同級別的項目中每個任務的文檔和軟件。

●PPT：完成整個控制設計和實現過程，老師們可以決定使用哪些幻燈片與學生共享或用作教學。

●控制器：MATLAB 腳本、Simulink 模型和 Simulink 庫。這些文件分為“設計”和“調優”類型文件。“設計”文件使用基礎模塊，在這種情況下，基礎模塊是Simulink模塊和QUARC中的 Target模塊，“調優”文件使用組件或預制的Simulink庫。

●視頻：說明性視頻，演示設計過程的所有步驟。

老師們可以使用“教師指南”電子表格，根據他們的經驗決定提供給學生的文件。例如，如果該項目是由僅學習一門控制系統課程的大三學生完成的，老師可以選擇為學生提供不同的組件（Simulink庫）以完成與伺服運動控制和球桿系統相關的任務。

目前已經有Quanser用戶完成了類似類型的項目，例如NYIT（請參見下文）。此項目添加到現有課程的實驗室中，被指定為最后一年的團隊項目，用于課程"沖刺"等。

如何獲得訪問權限？

這是一個非常靈活的以項目為基礎設計挑戰，可以針對具有不同經驗水平和背景的學生進行擴展。它可以添加到現有課程的實驗室中，分配為最后一年的團隊項目，在課程"沖刺"中使用等等。

如果您有興趣運行此項目或了解可用項目，請通過：info@quanser.com 或vivian.wang@quanser.com 聯系我們，主題為" QUBE-Servo 2 Ball and Beam Design Project"。我們的Quanser工程師將與您聯系，并向您展示如何開始使用。

我們還有一個"快速入門"版本，允許您運行完整的控制器，并看看它是否適合您的課程。硬件和軟件要求如下。

硬件/軟件要求

●MATLAB/Simulink

●QUARC基礎版

●QUBE-Servo 2

●攝像頭

●球桿（例如：帶有乒乓球的3D打印連桿）

關于 NYIT 球桿項目

這個基于項目的學習方法首先由紐約理工學院（NYIT）電氣和計算機工程系副教授 Ziqian (Cecilia) Dong 在2011年和2012年春季完成的，用于EENG 491大四設計項目。

本科四年級學生通過使用旋轉伺服基礎單元、球桿系統以及QUARC 實時控制軟件進行控制系統的設計和實現。學生們幾乎沒有控制系統的經驗，甚至許多人從未使用過MATLAB /Simulink。在學習了控制系統的設計和實現之后，他們使用不同的球位置傳感技術設計了他們自己的2 DOF球平衡器系統。有關更多詳細信息，請參閱Prof. Dong及其伙伴在2012年ASEE年度會議上提交的論文，題為" AC 2012-2956: Infusing the Curriculumwith Cutting Edge Technologies through Partnerships with Industry"

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/CeuoD8LFC1CJdrK3Q7sDwg